一种高强钛合金及其激光增材制造方法

本发明属于激光增材制造，具体涉及一种高强钛合金及其激光增材制造方法。

背景技术：

1、激光增材制造钛合金在航天航空等高端制造领域具有重要意义。但是激光增材制造钛合金昂贵的成本限制了其更广阔的发展；其高成本主要来源于目前可用于激光增材制造的钛合金价格昂贵，以及激光增材制造钛合金仍需要进行热处理等后处理提高力学性能以达到使用需求，这些使激光增材制造钛合金产品的制造周期长、经济成本高。开发激光增材制造专用的低成本钛合金牌号，使其合金的成本降低，并且使其沉积态的力学性能直接满足使用要求，不需要后续热处理或热加工处理，以缩短制造周期，对激光增材制造钛合金的发展具有重要意义。

2、采用廉价的共析型β稳定元素代替钛合金中的mo、nb、v、ta等昂贵的同晶型β稳定元素，是设计高强低成本钛合金的重要思路。共析型β稳定元素如fe、cu、ni具有比mo、nb、v、ta更高的β稳定能力和固溶强化能力，理论上少量添加就可以起到相同的效果，从而大大降低钛合金的成本。例如已经成功研发了一些含fe的低成本钛合金，如公告号为cn106521236 b的专利“一种含fe的低成本近β型高强钛合金及其制备方法”中利用fe代替v。但是fe元素熔点高(1538℃)、易偏析，导致含fe钛合金容易产生β斑和宏观区域等组织缺陷，以及产生粗大、分布不均匀的tife脆性金属间化合物，使含fe钛合金性能变差。因此，fe元素的添加量一般低于2％，合金化窗口很窄。与fe不同，cu元素的熔点低(1083℃)、扩散能力强，与ti进行熔炼能降低熔点、提高金属液的流动性，使铸件成分均匀，不易形成宏观缺陷，并提高合金的阻燃性能和耐腐蚀性能。此外，cu元素十分廉价易得，其原料每公斤价格仅60～200元。因此利用cu元素代替昂贵的β稳定元素mo、v等设计制备低成本钛合金具有显著的经济效益。但是cu元素是活性共析元素，极易导致形成大量层片状的α+ti2cu珠光体团簇，导致ti-cu合金的塑性很差。这些珠光体共析组织几乎无法通过快速冷却或热处理消除，这导致共析元素cu合金化的低成本钛合金发展至今十分有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高强钛合金及其激光增材制造方法，以解决现有技术中对于钛合金难以找到合适的共析型β稳定元素的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种高强钛合金，以质量分数计，包括：cu 3.5％～6％，zr 20％～45％，余量为ti和不可避免的杂质；

4、所述高强钛合金的沉积态合金组织为亚微米级α板条或纳米级α板条，相邻的板条界面上分布有纳米(ti,zr)2cu颗粒；

5、所述高强钛合金通过增材制造方法制备获得。

6、本发明的进一步改进在于：

7、优选的，所述高强钛合金的屈服强度rp0.2为1200mpa～1300mpa。

8、优选的，所述高强钛合金的抗拉强度为1400mpa～1490mpa，延伸率为4.5％～6％。

9、一种上述的高强钛合金制备方法，包括以下步骤：

10、步骤1，将海绵钛、海绵锆和铜料按照设计成分进行配料混合后，进行真空自耗熔炼，获得铸锭；

11、步骤2，将铸锭通过旋转电极熔炼，制成合金粉末；

12、步骤3，将合金粉末在真空环境下加热后冷却，获得真空干燥处理后的粉末；

13、步骤4，将真空处理后的粉末通过激光定向能量沉积法或激光粉末床熔融法，在基板上沉积粉末，获得高强钛合金工件。

14、优选的，步骤1中，真空自耗熔炼次数为2～5次；步骤2前，将步骤1获得铸锭的冒口切除。

15、优选的，步骤2，旋转电极熔炼过程中，环境氧含量，旋转电极熔炼制得的合金粉末氧含量均≤0.1wt％。

16、优选的，步骤3，在真空加热前，将步骤2获得的合金粉末筛选，获得粒径范围为50μm～150μm的粉末。

17、优选的，步骤4中，通过激光定向能量沉积法沉积的工艺参数为：

18、在激光光斑直径为2.5mm～3.5mm条件下，激光功率为900w～1500w、激光束扫描速度为480mm/min～1200mm/min，扫描间距为1.2mm～1.8mm，沉积层间间隔时间为10～60s；

19、在激光光斑直径为3.5mm～5.5mm条件下，激光功率为1200w～2500w、激光束扫描速度为480mm/min～1200mm/min，扫描间距为1.8mm～2.8mm，沉积层间间隔时间为10～60s。

20、优选的，步骤3，在真空加热前，将步骤2获得的合金粉末筛选，获得粒径范围为10μm～53μm的粉末。

21、优选的，步骤4中，通过激光粉末床熔融法制备高强钛合金工件的工艺参数为：

22、激光光斑直径为60μm，激光功率为120w～250w，激光扫描速度为800mm/s～2000mm/s，层厚为30μm～45μm，扫描线距为80μm～120μm。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明公开了一种高强钛合金，其合金组元的质量分数为：cu 3.5％～6％，zr20％～45％，余量为ti和不可避免的杂质。本发明提供的钛合金不添加昂贵合金元素比如nb、mo和v等，并且不需要任何后热处理，通过增材制造，使得最终形成钛合金的微观组织为超细或纳米α板条和板条界面上不连续的纳米(ti,zr)2cu颗粒，最终在激光定向能量沉积成形合金中可直接获得1200mpa～1300mpa的屈服强度rp0.2、超过1400mpa的1400mpa～1490mpa的抗拉强度以及4.5％～6％可接受的延伸率，其力学性能可以满足工程结构需求。本发明成果在航天、航空、军工及民用等领域有广泛的应用前景，可显著提高生产效率和经济效益。

25、进一步的，本发明合金成分和工艺的设计，基于利用低成本的活性共析元素cu合金化钛合金的设计思想，以计算相图结合高通量试验方法，确定了zr合金化能够抑制层片状珠光体组织形成，同时提高合金的强度和塑性，且不引入其他相。当质量分数20％～45％zr元素结合3.5％～6％cu元素复合合金化时，沉积态合金组织由超细或纳米α板条和板条界面上不连续的纳米(ti,zr)2cu颗粒组成。

26、本发明还公开了一种高强钛合金的制备方法，首先设计了成分，在加入有共析型β稳定元素cu的基础上加入了zr合金，消除了层片状珠光体型共析产物形态，使金属间化合物(ti,zr)2cu转变为颗粒状，降低了金属间化合物对塑性的不利影响，并使塑性相层片状α转变为板条状，提高了塑性变形能力；并且本发明公开的钛合金成分具有低的共析转变温度(650～550℃)，在共析反应β→α+(ti,zr)2cu过程中形成超细或纳米α板条组织，这使合金在沉积态直接获得了极高的屈服强度和抗拉强度，而普通单型性转变钛合金通过较高转变温度的同素异构转变β→α形成α相，例如tc4的β→α转变温度为980～900℃，这使tc4等钛合金在增材制造沉积态很难直接获得均匀的超细或纳米α板条组织，进而使得沉积态力学性能受到限制，需要进一步热处理提高力学性能。本发明公开的钛合金的超细组织是由合金成分决定的低温共析相变β→α+(ti,zr)2cu产生的，因此形成的纳米或超细α板条组织是均匀的、不受沉积尺寸影响，保证了本发明所述钛合金的力学性能稳定。制备过程中，首先通过自耗熔炼，以获得在均匀的合金原料，将合金原料再通过若干次的真空自耗熔炼，降低整个合金中的氧元素和其他杂质元素，进一步的通过激光定向能量沉积或激光粉末床熔融制备合金工件，通过增材制造制备，使得能够在制备过程中，控制柱状晶的生长方向，使得沉积过程中宏观组织为沿沉积高度方向外延生长的柱状晶，柱状晶尺寸达到几百微米至毫米级，冷却后微观组织由均匀的亚微米或纳米级α板条及板条界面上分布的纳米(ti,zr)2cu颗粒组成。